Magneti superconduttori a resistenza zero: Tecnologia superconduttiva

Un magnete superconduttore è un elettromagnete che utilizza materiali superconduttori per ottenere una resistenza nulla a temperature estremamente basse. Può trasportare densità di corrente estremamente elevate e generare campi magnetici molto più forti degli elettromagneti tradizionali.

Caratteristiche dei magneti superconduttori

Alta densità di corrente e forte campo magnetico: I materiali superconduttori raggiungono una resistenza nulla al di sotto della temperatura critica, possono trasportare densità di corrente estremamente elevate, generare forti campi magnetici e consumare quasi zero energia. Rispetto alla tradizionale tecnologia di modellazione dei materiali ferromagnetici, i magneti superconduttori possono produrre gradienti di campo magnetico più ripidi per soddisfare i requisiti di elevata intensità di campo.

1. Costo-efficacia

I piccoli magneti superconduttori sono superiori ai magneti convenzionali per quanto riguarda l'intensità e la stabilità del campo e sono meno costosi. I magneti superconduttori di grandi dimensioni diventano più economici rispetto agli elettromagneti convenzionali che consumano molta energia, in quanto funzionano più a lungo. Tuttavia, per applicazioni inferiori a 1T e con requisiti di stabilità ridotti, le bobine di rame raffreddate ad acqua sono ancora più economiche.

2. Stabilità a lungo termine

Nella modalità di lavoro a lungo termine, la costante di tempo L/R del magnete superconduttore è estremamente lunga e il campo magnetico può rimanere altamente stabile per giorni o addirittura mesi, il che è particolarmente adatto per gli esperimenti che richiedono una media del segnale a lungo termine.

3. Design compatto

L'alta densità di corrente rende i magneti superconduttori di dimensioni ridotte, occupando meno spazio in laboratorio, ed è adatta ad ambienti con limiti di spazio.

Tecnologia di raffreddamento

I magneti superconduttori devono essere raffreddati al di sotto della temperatura critica per mantenere lo stato superconduttivo. Esistono due metodi di raffreddamento comuni:

Tecnologia di raffreddamento a liquido

L'elio liquido è il refrigerante principale e le bobine superconduttrici sono collocate in un criostato per garantire che la temperatura sia inferiore al punto critico. Per ridurre l'evaporazione dell'elio liquido, di solito si utilizza l'azoto liquido sullo strato esterno del criostato per il raffreddamento ausiliario, riducendo in modo significativo i costi operativi.

Tecnologia di raffreddamento meccanico

Si utilizza un refrigeratore a tubo di Gifford-McMahon o a impulsi. Il primo stadio (77K) fornisce un raffreddamento ausiliario per il criostato, mentre il secondo stadio (4,2K, potenza di raffreddamento <2W) raffredda direttamente le bobine superconduttrici. I refrigeratori a tubo d'impulso utilizzano processi acustici, hanno basse vibrazioni e lunghi intervalli di manutenzione e stanno gradualmente diventando mainstream, soprattutto per i sistemi superconduttori a lungo termine.

Materiali superconduttori e prestazioni

Le prestazioni dei magneti superconduttori sono limitate dalla temperatura critica (Tc), dal campo magnetico critico (Hc) e dalla corrente critica (Ic) del materiale. I materiali comunemente utilizzati sono:

Niobio titanio (NbTi): temperatura critica 10K, supporta un campo magnetico di 9-10T a 4,2K e può raggiungere 9,5-10T a 2K, adatto a soddisfare i requisiti di bassa area di campo e stabilità a lungo termine della risonanza magnetica nucleare.

Niobio-stagno (Nb3Sn): temperatura critica 18K, supporta 23T a 2,2K (maggiore a 4,2K), adatto per aree ad alto campo.

Superconduttore ad alta temperatura (HTS): supporta un campo magnetico fino a 45T a 4,2K, adatto per inserti ad altissimo campo magnetico e conduttori di corrente, riducendo le perdite di calore.

Scoperta nel campo dei magneti superconduttori: magnete superconduttore completo da 32T

Nel 1819 Oersted scoprì che la corrente elettrica genera un campo magnetico, gettando le basi per gli elettromagneti. La scoperta della superconduttività nel 20° secolo ha portato a un salto di qualità nella forza dei magneti, con magneti superconduttori commerciali che raggiungono 23T, più di 2.000 volte più forti dei magneti ordinari.

Nel 2017, il Florida National High Magnetic Field Laboratory ha sviluppato un magnete interamente superconduttore da 32T, che è stato messo in funzione nel 2019. Il magnete combina superconduttività a bassa temperatura e superconduttività ad alta temperatura per aumentare in modo significativo l'intensità del campo. Un campo magnetico di 32T genera più di 300 tonnellate di stress. La bobina è impregnata di resina epossidica e posta in una camera a vuoto per migliorare la struttura alla forza di Lorentz.

Applicazioni dei magneti superconduttori

Risonanza magnetica nucleare e spettroscopia: I magneti superconduttori ad alto campo forniscono un'elevata risoluzione e stabilità, che favorisce la ricerca biomedica, chimica e fisica.

Oblillazioni quantistiche e scienza dei materiali: rivelare il comportamento quantistico di metalli complessi e solidi molecolari.

Nanotecnologia: I magneti 32T aiutano a manipolare le strutture atomiche/molecolari su scala 1-100nm per ottimizzare la resistenza dei materiali, le prestazioni catalitiche e la conduttività.

Acceleratori di particelle: supportano esperimenti di fisica ad alta energia.

Reattori a fusione: forniscono forti campi magnetici, controllano il plasma e promuovono lo sviluppo di energia pulita in progetti come ITER.

Ferrovia maglev: utilizzato per la sospensione, la guida e la propulsione del sistema maglev giapponese per ottenere un trasporto efficiente.

Conclusione

I magneti superconduttori stanno ridisegnando le frontiere della scienza e della tecnologia grazie alle loro eccellenti prestazioni e alle ampie prospettive di applicazione. Con il progresso della scienza dei materiali e della tecnologia ingegneristica, la prossima generazione di magneti superconduttori porterà soluzioni più efficienti ed economiche, dando nuovo impulso all'esplorazione umana dell'ignoto e risolvendo le sfide globali.

Ethan Huang

Mi dedico alla scrittura scientifica divulgativa sui magneti. I miei articoli si concentrano principalmente sui principi, le applicazioni e gli aneddoti del settore. Il nostro obiettivo è fornire ai lettori informazioni preziose, aiutando tutti a comprendere meglio il fascino e il significato dei magneti. Allo stesso tempo, siamo desiderosi di ascoltare le vostre opinioni sulle esigenze legate ai magneti. Sentitevi liberi di seguirci e di impegnarvi con noi per esplorare insieme le infinite possibilità dei magneti!

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